论文总字数：23107字

摘 要

本文根据微型飞行器的能量消耗特点，设计超声驱动无线能量传输系统。使微型飞行器的翅膀在超声驱动下形成共振，利用压电功能薄膜制备的微型飞行器翅膀将超声能量转化为电能，并将电能储存，实现小型扑翼飞行器的无线供能特点，并根据扑翼飞行器的翅膜对不同频率的超声波激励的功率反馈的特点来寻找最佳的超声波激励频率。基于前人所研制的小型扑翼飞行器，分析了其产生扑翼升力的机制，建立其运动机构的三维模型，并改造其飞行翼翅的结构，使之能配合压电膜作为翅膜的结构，同时制作合理的固定机构，使得改进的翼翅能在原有结构上保持正常运作，主要完成的工作包括：

1. 第二章对各种鸟类飞行的原理进行研究，研究了各项飞行运动参数扑翼飞行的作用，确定了鸟类飞行中所产生高升力的原理。
2. 第三章第一部分分析已有的小型飞行器的飞行动作，使用solidworks对其运动机构的三维模型进行建模，使用解析法计算其传动机构的运动参数，分析其产生升力的机制。
3. 第三章第二部分以已有的曲柄摇杆传动机构为基础，设计飞行器的传动机构用于无限能量传输系统，设计无线能量传输系统的固定方案，用于翼翅与压电材料之间的相对固定，保持飞行器在飞行过程中无线能量传输系统的正常工作。

在保留原有的驱动机构和传动机构的基础上完成了仿生翼翅骨架的制作和连接工作。使得改进后的扑翼飞行器能在保留了原有的动力系统的前提下能够适应新翼翅的结构，验证了超声波激励扑翼飞行器翼翅供能的可行性。在翼翅与传动机构的连接结构上采用了多种试验性结构方案，最终采取了较为简洁实用的卡槽绳索固定式连接结构方案，在保证整体机构的轻量化的同时也能保证连接部位的强度要求。

关键词：扑翼飞行器，无线能量传输，压电效应

Abstract

In this thesis, we designed a kind of wireless power transmission systems based on the feature of tiny aircraft’s energy system. We make the aircraft’s wings to resonance upon incoming ultrasonic influence. Using wings made by piezoelectric film, we can transform ultrasonic energy into electric energy. And store it based on the aircraft’s energy-trransforming features. we want to find the optimal ultrasonic source to maintance the best capacity for the aircraft. Based on the previously research on the tiny flapping-wing aircraft, we analysed the working mechanism of a tiny flapping-wing aircraft. And we build a three-dimentional model of it. Besides we tried to improve it’s wing’s structure to make it suitable for it’s wings made by piezoelectric film. Also we made the suitable fasten system to make new wings working perfectly on the intrisinc structure. The mainly research include:

1. In the second chapter i analysed the principle of bird’s flying action. We studied the impact of a series parameter . And mak sure the thoery of bird’s highly lift force.
2. In the first part of third chapter i analysed the action of the tiny flapping-wing aircraft that already exist. Modeling it using software solidworks. Using analytic method to calculate the movement parameters and to analysis it’s flying mechanism.
3. In the second part of third chapte i designed a new kind of aircraft’s transimission gear for the wirless power transmission system besed on the crank and rocker mechanism. Design the fasten structure of the wireless transmission system between the wings and the piezoelectric material. And make it working perfectly while it is flying.

To reach that goal, i improved the structure of small flapping-wing aircraft’s wings and linking structures to make sure that the new aircraft can keep functional using it’s old power system. In the end we comfirmed the possibility of ultrasonic air transducer system for flapping-wing aircraft. And we created a new kind of aircraft.s wing-linking system to make sure that the wing is strongly enough attached to the operating structure but light enough to keep it fly. Finally we adopted the simpple but functional groove and rope plan to make this structure. At the very end we confirmed the strength of the lingking system while we make this structure lightly enough.

KEY WORDS: flapping-wing aircraft, ultrasonic air transmissiuon, piezoelectric effect

目 录

第一章 绪论 1

1.1无线能量传输技术简介 1

1.2无线能量传输技术的背景意义 1

1.2.1用于军事领域的无人机作战设备 1

1.2.2基于无线能量传输的医学人体植入物 2

1.2.3基于无线能量传输的民用电器设备 3

1.3无线能量传输技术的原理 4

1.4无线能量传输技术的发展历史 5

1.5扑翼飞行器的简介 5

1.6扑翼飞行器的背景意义 6

1.6.1军用小型飞行器 6

1.6.2民用小型飞机 6

1.7扑翼飞行器的发展历史 6

1.7.1普以及在国外的发展历史 6

1.7.2扑翼机在国内的研究进展 7

1.8本文研究的内容 7

1.8.1无线能量传输方式的选取 7

1.8.2无线能量传输的实现方案 7

第二章 扑翼飞行器飞行原理 8

2.1扑翼与固定翼和旋转翼的区别 8

2.1.1扑翼机与固定翼机和旋转翼机在结构上的区别 8

2.1.2扑翼机高升力的非定常流原理 10

2.2体型对生物扑翼的影响 11

2.2.1大型鸟类的飞行特点 11

2.2.2小型鸟的扑翼特点 12

2.2.3昆虫扑翼飞行的特点 12

2.2.4不同生物飞行特点的比较 14

第三章 实验内容介绍 14

3.1扑翼飞行器的原有结构 14

3.1.1扑翼飞行器的驱动系统简介 14

3.1.2扑翼飞行器的传动系统减速齿轮组 15

3.1.3扑翼飞行器的执行机构 15

3.1.4扑翼飞行器的外形简介 16

3.2扑翼飞行器改进方案阐述 17

3.2.1驱动机构超声波电机简介 17

3.2.2执行机构增加固定装置 18

3.2.3翼翅与骨架的固定 20

3.3已经完成的实物展示 21

致 谢 23

参考文献 24

第一章 绪论

1.1无线能量传输技术简介

人类在发现了电这一种形式的能源后，电能这一种新型的能源随之给人们的生活带来了巨大的变化。在电能被发现之前，人们大多是使用风能，太阳能，热能等能够直接从外界自然环境当中获取的初级能源，这些能源与电能相比没有一个不存在着这个问题：能源质量太低，即人们打算从风能这些自然界中的能源中获取一些的时候，能够获取的只不过是小小的一部分，或许能够满足日常生活的使用，但是无法将之集中起来，而电能，是一种真正的高效的能源，电能的使用推动了人类社会所使用的工具的革命，也从根本上改变了人们的日常生活。在此之前人们在生活中所依靠的能源不外乎化石能源和牲畜机械能，而电能的发现则使得人们开始探索自然的规律并尝试加以掌握使用。二次能源成为了人类摆脱自然束缚的有力的帮手。

自从有了电，就有了要开发储存运输电能的需求，传统有线方式传输电能存在着以下问题：线路损耗，线路老化，尖端放电等问题，使得设备的安全性和可靠性降低【1-2】。严重时会导致爆炸，火灾，设备毁坏等事故的发生【3】。过去人们总是在尝试着使用优良导体来传输电能，以求在运输过程中的损失降到最小，从而引发了材料学科的新的发展方向，带动了整个科学技术的全面发展，对于低电阻率材料的追求成为了在研究初期的有效切实的研究，但是在人们的经验积累下人们发现使用载体来进行能量传输并不是十全十美的，物质传输电能还存在着一些无法规避的问题；比如线路维护，安全，效益等各个方面依然存在着很多的不足和缺陷，电网的地理广阔性决定了其维护成本的巨大和艰难，而与此同时带来的安全性问题也同样不容小觑，经常有媒体报道由于种种原因导致的平民意外触电事故，对人们的人身安全造成了不小的威胁，也同时增加了额外的维护和运营成本。除此之外长距离的电能运输也无法避免的带来了途中发热损耗的结果，人们为减少该损耗而采用增压输电的方式，无疑减少了在传输过程中的电能损失，但是同时也增加了输电系统的复杂性和成本。除此之外，从微观角度来讲，传统电器设备都是通过插头或插座等有线连接器的接触进行供电【4】，在油、威尔斯、油田钻机等特殊场合,由于这种传动方式的摩擦、磨损和裸丝的特点,容易产生电火花【5】,导致爆炸安全事故；同时对社会经济等方面造成了巨大的影响和威胁。所以在这种场合下有线传输电能的途径变得不再适合。

1.2无线能量传输技术的背景意义

1.2.1用于军事领域的无人机作战设备

在现在化战场上，无人作战设备的应用开始变得广泛和重要起来，尤其是小型扑翼飞行器的美好前景吸引了研究者广泛的关注【6】。20世纪20年代，在一战爆发后，无人机技术就得到了巨大的发展，在其最初的发展阶段，无人机的发展主要为尝试将有人驾驶的飞机通过无线操控的方法改造成为无人驾驶的飞机，这样使得本方作战人员的安全得到了根本性的保障，成为改变战场局势的一股重要的力量，在以后的发展中,电子技术的进步使无人机发挥了侦查作用，在战争中，情报工作的好坏将直接影响到该场战争的输赢与否，孙子兵法有云：知己知彼，百战不殆。在过去的战争中，战争情报的获取主要是依靠情报间谍或者是对敌方通讯的解密，然而间谍却容易被发现和清除，使得花费大代价造就的情报获取路径往往具有极大的风险，同时，培养一名间谍无法在短期内获得收益，往往需要在一场战争还未开始前就需要进行准备和运作，对地方通讯的破解往往无法有长足的效果。如图1所示:仿生无人机在体型小型化上具有独特的优点，在军事上取得了巨大的作用。

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